高速旋转系统动态特性分析及优化方法研究

山东大学

硕士学位论文

高速旋转系统动态特性分析及优化方法研究

姓名：宋清华

申请学位级别：硕士

专业：化工过程机械

指导教师：唐委校

20060510

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●摘要随着工业的发展和社会的进步，旋转机械转速不断增加，性能不断提高。特别是像燃汽轮机、航空发动机、工业压缩机及各种电动机等过程装备及机械装置，由于其转速加大，推重比提高，带来了零部件重量的减轻和负荷的增加，从而导致了振动的加剧。旋转机械的振动历来是人们极为关注的问题，高速旋转机械的振动则尤其复杂，其研究工作更显得重要。因此，高速旋转系统动态特性分析及优化方法研究是促进高速旋转机械发展和推广应用的重要应用基础课题，对充分发挥高速旋转机械的技术优势、经济优势和社会优势具有重要的理论意义和现实意义。探讨适合高转速特点的高速旋转系统动力学建模及其建模方法，基于Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ连续梁理论，运用有限单元法和第二类Ｌａｇｒａｎｇｅ方程，建立高速旋转系统（轴承．转子系统）多自由度动力学模型。此模型考虑转动惯量、陀螺力矩、剪切变形、不平衡和材料阻尼等因素的影响。针对所建立的动力学模型，分别讨论系统的固有频率、临界转速，频响函数和动力响应等动态特性。重点探讨反对称特征值的求解方法一由广义Ａｒｎｏｌｄｉ法推导的本质缩减算法。其中，在应用广义Ａｍｏｌｄｉ法推导陀螺特征值时，引入针对对称特征值问题提出的重起动概念，使此减缩方法成为完善的大型特征值问题的求解方法。另外，运用上述动特性分析方法对一实际转子系统的动态特性进行数值计算。基于所建立的动力学模型和对模型的动态特性分析，运用Ｌｙａｐｕｎｏｖ稳定性定理和稳定性判据，研究陀螺力（陀螺力矩）与高速旋转系统稳定性的关系，分析陀螺力对高速旋转系统动态稳定性的影响。探讨基于频响函数的高速旋转系统稳

定性评价方法和理论体系，给出基于频响函数的高速旋转系统稳定性预测分析方

法。

将结构动力修改技术引入高速旋转系统动态优化的“逆问题”求解并给予

延伸和发展，探讨并研究了基于结构动力修改的高速旋转系统动态优化方法，把

在保证系统稳定性基础上寻求高转速、高生产率、低成本为优化目标的动态优化

“逆问题”，通过采用结构动力修改方法转换为分步修改和重分析的“正问题”。提出重点针对能够综合反映系统动态特性的频响函数进行优化的结构动力修改

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方法，通过分析系统频响函数对系统各变量的灵敏度，运用有限元模型的频响函数摄动修改法对系统逐步进行动态优化。

设计实施转了动力学实验，通过对测试系统进行振动特征分析、临界转速分析，获得系统的动态特性及其与各因素的关系；通过识别系统的模态参数，获得系统的频响函数，并对其进行优化，验证论文中提出的动态特性分析及优化方法。

关键词高速旋转系统；动力学特性；频响函数；稳定性；动态优化Ⅱ

ＡＢＳＴ从ＣＴ

Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓａｎｄｔｈｅｓｏｃｉｅｔｙ，ｔｈｅｒｏｔａｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｓａｒｅ

ｓｐｅｅｄｉｎｇｕｐａｎｄｔｈｅｉｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓａｒｅｅｎｈａｎｃｅｄｇｒｅａｔｌｙ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｓｔｅａｍｅｒｓ。ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅｓ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓａｎｄｏｔｈｅｒｋｉｎｄｓｏｆｍａｃｈｉｎｅｓ．Ａｓｔｈｅｓｐｅｅｄｕｐｏｆｒｏｔａｔｉｎｇａｎｄ

●ｔｈｅｂｅｔｔｅｒｐｅｆｆｏｒｍａｃｅｓ，ｔｈｅｗｅｉｇｈｔｏｆｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｓｌｉｇｈｔｅｎｅｄａｎｄｌｏａｄｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｔｈｅ

ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｏｆｒｏｔａｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｓｂｅｃａｍｅｔｈｅｋｅｙｉｓｓｕｅｓｔｏｐａｙｐｅｏｐｌｅ’Ｓａｔｔｅｎｔｉｏｎｓ．Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｏｆｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｒｏｔａｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｓａｒｅｓｏｃｏｍｐｌｅｘｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｏｆｔｈｅｍｂｅｃｏｍｅｍｏｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔａｐｐｆｉｃａｔｉｏｎｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓｕｂｊｅｃｔｆｏｒｐｒｏｍｏｔｉｎｇｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓａｎｄａｐｐｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｈｉｇｈ－ｓｐｅｅ甄ｌｒｏｔａｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｓａｎｄｈａｓａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｈｅｏｒｉａｌａｎｄｒｅａｌｉｓｔｉｃｍｅａｎｉｎｇｔｏｂｒｉｎｇｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｒｏｔａｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｓｉｎｔｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌａｄｖａｎｔａｇｅ，ｅｃｏｎｏｍｉｃａｄｖａｎｔａｇｅａｎｄｓｏｃｉｅｔｙａｄｖａｎｔａｇｅｆｕｒｔｈｅｒ．

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Ｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｄｅｌａｎｄｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｕｉｔｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ

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